脉冲编码调制过程

（江苏省徐州技师学院 江苏 徐州 221151）

信源输出的原始电信号是在时间和幅度上均为连续的，这种信号称为模拟信号。数字信号指信号在时间和幅度上均为离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。二进制码就是一种数字信号。

模/数（A/D）变换的方法采用得最早而且目前应用得比较广泛的是脉冲编码调制（PCM）。利用数字通信系统传输模拟信号，首先需要在发送端把模拟信号变成数字信号，即进行模/数变换，主要有三步骤：抽样、量化、编码；再用数字通信的方式进行传输；最后在接收端把数字信号还原为模拟信号，即进行数/模（D/A）变换，其主要步骤是解码、低通滤波。

1.抽样

抽样的任务是对模拟信号进行时间上的离散化处理，即每隔一段时间对模拟信号抽取一个样值，抽样后的信号为PAM信号，此信号仍然是模拟信号，而非数字信号，因为PAM信号在时间上是离散的，而在幅度上有无限多个。

抽样是模拟信号数字化的第一步。在接收端，要从离散的样值脉冲中不失真地恢复出原模拟信号，实现重建任务。

模拟信号的频率范围为f0-fh，带宽B=fh-f0，其中fh是上限频率，f0是下线频率。如果f0＜B，称之为低通型信号，话音信号就是低通型信号；若f0＞B，则称之为带通信号，载波12路群信号（频率范围为60～108kHz）就属于带通型信号。

例如，话音信号的频率限制在300～3400Hz，带宽B=fh-f0=3400-300=3100HZ，300HZ＜3100HZ，所以话音信号就是低通型信号。这时满足抽样定理的最低的抽样频率应为fs=6800Hz，为了留有一定的防卫带，CCITT规定话音信号的抽样率fs=8000Hz，这样就留出了8000-6800=1200Hz作为滤波器的防卫带。应当指出，抽样频率fs不是越高越好，太高时，将会降低信道的利用率，所以只要能满足fs≥2fh并有一定频带的防卫带即可。而对于带通型信号，如果仍然按照这个抽样，虽然能满足样值频谱不产生重叠的要求，但是无疑fs太高了（因为带通信号的fh高），将降低信道频宽的利用率，这是不可取的。

2.量化

2.1 所谓量化。就是把经过抽样得到的瞬时值PAM将其幅度离散，即用一组规定的电平，把无限多个瞬时抽样值用最接近的有限个电平值来表示。此时信号变成数字信号。

做法：将PAM信号的幅度变化范围划分为若干个小间隔，每一个小间隔叫做一个量化级。相邻两个样值的差叫做量化级差，用δ表示。当样值落在某一量化级内时，就用这个量化级的中间值来代替。该值称为量化值。

2.2 量化误差。用有限个量化值表示无限个取样值，总是含有误差的。由于量化而导致的量化值和样值的差称为量化误差，用e（t）表示。

即

e（t）=量化值-样值

量化过程存在量化误差，在还原信号的D/A转换后，这种误差作为噪声再生，称为量化噪声。量化噪声是数字通信的主要噪声源，克服方法之一是增加量化级数，会使得量化误差减小，噪声也跟着减小，但量化级数不能过多，因为需要更多位数的代码去表示每一个量化级，这样就需要提高传输速率，将给信号的传输和设备制造带来困难。

量化可以分为均匀量化与非均匀量化两种方式。各量化分级间隔相等的量化方式即为均匀量化。均匀量化时在整个输入信号的幅度范围内量化级的大小都是相等的。各量化分级间隔不相等的量化方式即为非均匀量化。非均匀量化的特点是：信号幅度小时，量化间隔小其量化误差也小；信号幅度大时，量化间隔大，其量化误差也大，量化噪声也大。

3.编码

编码是把模拟信号样值变换成对应的二进制码组。量化后的样值是离散的，采用A律13折线编码，最终换成二进制数（即仅有0、1）。

国际标准化的PCM码组（电话语音）是八位码组代表一个抽样值。

解码过程是数/模变换，通常记作D/A。

采用A律13折线编码时所需的码位数是8位，

其具体安排是：

经过模/数变化过程，每一个模拟值转换为8位二进制码，满足了数字通信传输信道的要求。PAM为正值时，a1取值为1，PAM为负值时，a1取值为0；a2a3a4取值为000-111，表示第1至第8段；a4a5a6a7取值为0000-1111，表示每一段内十六等分的第1段至第16段。

接收端的数/模变换包含了译码和低通滤波器两部分。译码是编码的反过程，它将接收到的PCM信号还原为抽样信号（实际为量化值，它与发送端的抽样值存在一定的误差，即量化误差）。低通滤波器的作用是恢复或重建原始的模拟信号。它可以看作是抽样的反变换。

数字通信与模拟通信相比，其优点为：抗干扰能力强，没有噪声积累；可以进行远距离传输并能保证质量；能适应各种通信业务要求，便于实现综合处理；传输的二进制数字信号能直接被计算机接收和处理；便于采用大规模集成电路实现，通信设备利于集成化；容易进行加密处理，安全性更容易得到保证。